Макроопределения и макрокоманды
Разработка программ на языке ассемблера — достаточно трудоемкий процесс, требующий зачастую простого повторения одних и тех же многократно встречающихся операций. Примером может служить последовательность команд, выполняемых каждый раз для организации стекового дисплея памяти при входе в процедуру или функцию.
Для облегчения труда разработчика были созданы так называемые макрокоманды.
Макрокоманда представляет собой текстовую подстановку, в ходе выполнения которой каждый идентификатор определенного вида заменяется на цепочку символов из некоторого хранилища данных. Процесс выполнения макрокоманды называется макрогенерацией, а цепочка символов, получаемая в результате выполнения макрокоманды, — макрорасширением.
Процесс выполнения макрокоманд заключается в последовательном просмотре текста исходной программы, обнаружении в нем определенных идентификаторов и их замене на соответствующие строки символов. Причем выполняется именно текстовая замена одной цепочки символов (идентификатора) на другую цепочку символов (строку). Такая замена называется макроподстановкой [66, 83, 93].
Для того чтобы указать, какие идентификаторы на какие строки необходимо заменять, служат макроопределения. Макроопределения присутствуют непосредственно в тексте исходной программы. Они выделяются специальными ключевыми словами либо разделителями, которые не могут встречаться нигде больше в тексте программы. B процессе обработки все макроопределения полностью исключаются из текста входной программы, а содержащаяся в них информация запоминается для обработки при выполнении макрокоманд. Макроопределение может содержать параметры. Тогда каждая соответствующая ему макрокоманда должна при вызове содержать строку символов вместо каждого параметра. Эта строка подставляется при выполнении макрокоманды в каждое место, где в макроопределении встречается соответствующий параметр. B качестве параметра макрокоманды может оказаться другая макрокоманда, тогда она будет рекурсивно вызвана всякий раз, когда необходимо выполнить подстановку параметра. B принципе макрокоманды могут образовывать последовательность рекурсивных вызовов, аналогичную последовательности рекурсивных вызовов процедур и функций, но только вместо вычислений и передачи параметров они выполняют лишь текстовые подстановки1.
Макрокоманды и макроопределения обрабатываются специальным модулем, называемым макропроцессором или макрогенератором. Макрогенератор получает на вход текст исходной программы, содержащий макроопределения и макрокоманды, а на выходе его появляется текст макрорасширения исходной программы, не содержащий макроопределений и макрокоманд. Оба текста являются только текстами программы, никакая другая обработка не выполняется. Именно макрорасширение исходного текста поступает на вход компилятора.
Синтаксис макрокоманд и макроопределений не является строго заданным. Он может различаться в зависимости от реализации компилятора с языка ассемблера. Ho сам принцип выполнения макроподстановок в тексте программы неизменен и не зависит от их синтаксиса.
Макрогенератор чаще всего не существует в виде отдельного программного модуля, а входит в состав компилятора с языка ассемблера. Макрорасширение исходной программы обычно недоступно ее разработчику. Более того, макроподстановки могут выполняться последовательно при разборе исходного текста на первом проходе компилятора вместе с разбором всего текста программы, и тогда макрорасширение исходной программы в целом может и вовсе не существовать как таковое.
Например, следующий текст определяет макрокоманду push_0 в языке ассемблера процессора типа Intel 8086:
Семантика этой макрокоманды заключается в записи числа «0» в стек через регистр процессора ах. Тогда везде в тексте программы, где встретится макрокоманда
она будет заменена в результате макроподстановки на последовательность команд:
Это самый простой вариант макроопределения. Существует возможность создавать более сложные макроопределения с параметрами. Одно из таких макроопределений описано ниже:
Глубина такой рекурсии, как правило, сильно ограничена. Ha последовательность рекурсивных вызовов макрокоманд налагаются обычно существенно более жесткие ограничения, чем на последовательность рекурсивных вызовов процедур и функций, которая при стековой организации дисплея памяти ограничена только размером стека передачи параметров.
Тогда в тексте программы макрокоманда также должна быть указана с соответствующим числом параметров. B данном примере макрокоманда
будет в результате макроподстановки заменена на последовательность команд:
Bo многих компиляторах с языка ассемблера возможны еще более сложные конструкции, которые могут содержать локальные переменные и метки. Примером такой конструкции может служить макроопределение:
Здесь метка 1oopax является локальной, определенной только внутри данного макроопределения. B этом случае уже не может быть выполнена простая текстовая подстановка макрокоманды в текст программы, поскольку если данную макрокоманду выполнить дважды, то это приведет к появлению в тексте программы двух одинаковых меток loopax. B таком варианте макрогенератор должен использовать более сложные методы текстовых подстановок, аналогичные тем, что используются в компиляторах при идентификации лексических элементов входной программы, чтобы дать всем возможным локальным переменным и меткам макрокоманд уникальные имена в пределах всей программы. Макроопределения и макрокоманды нашли применение не только в языках ассемблера, но и во многих языках высокого уровня. Там их обрабатывает специальный модуль, называемый препроцессором языка (например, широко известен препроцессор языка C). Принцип обработки остается тем же самым, что и для программ на языке ассемблера - препроцессор выполняет текстовые подстановки непосредственно над строками самой исходной программы. B языках высокого уровня макроопределения должны быть отделены от текста самой исходной программы, чтобы препроцессор не мог спутать их с синтаксическими конструкциями входного языка. Для этого используются либо специальные символы и команды (команды препроцессора), которые никогда не могут встречаться в тексте исходной программы, либо макроопределения встречаются внутри незначащей части исходной программы — входят в состав комментариев (такая реализация существует, например, в компиляторе с языка Pascal, созданном фирмой Borland). Макрокоманды, напротив, могут встречаться в произвольном месте исходного текста программы, и синтаксически их вызов может не отличаться от вызова функций во входном языке.
Следует помнить, что, несмотря на схожесть синтаксиса вызова, макрокоманды принципиально отличаются от процедур и функций, поскольку не порождают результирующего кода, а представляют собой текстовую подстановку, выполняемую прямо в тексте исходной программы. Результат вызова функции и макрокоманды может из-за этого серьезно отличаться.
Рассмотрим пример на языке C. Если описана функция
и аналогичная ей макрокоманда
то результат их вызова не всегда будет одинаков.
Действительно, вызовы j=fl(i) и j=f2(i) (где i nj — некоторые целочисленные переменные) приведут к одному и тому же результату. Ho вызовы j=fl(++i) и j=f2(++i) дадут разные значения переменной j. Дело в том, что поскольку f2 — это макроопределение, то во втором случае будет выполнена текстовая подстановка, которая приведет к последовательности операторов j=((++i) + (++i)). Видно, что в этой последовательности операция ++i будет выполнена дважды, в отличие от вызова функции fl(++i), где она выполняется только один раз.
Таблицы идентификаторов. Организация таблиц идентификаторов
Назначение и особенности построения таблиц идентификаторов
Проверка правильности семантики и генерация кода требуют знания характеристик переменных, констант, функций и других элементов, встречающихся в программе на исходном языке. Все эти элементы в исходной программе, как правило, обозначаются идентификаторами. Выделение идентификаторов и других элементов исходной программы происходит на фазе лексического анализа. Их характеристики определяются на фазах синтаксического разбора, семантического анализа и подготовки к генерации кода. Состав возможных характеристик и методы их определения зависят от семантики входного языка. B любом случае компилятор должен иметь возможность хранить все найденные идентификаторы и связанные с ними характеристики в течение всего процесса компиляции, чтобы иметь возможность использовать их на различных фазах
компиляции. Для этой цели, как было сказано выше, в компиляторах используются специальные хранилища данных, называемые таблицами символов или таблицами идентификаторов.
Любая таблица идентификаторов состоит из набора полей, количество которых равно числу различных идентификаторов, найденных в исходной программе. Каждое поле содержит в себе полную информацию о данном элементе таблицы. Компилятор может работать с одной или несколькими таблицам идентификаторов — их количество зависит от реализации компилятора. Например, можно организовывать различные таблицы идентификаторов для различных модулей исходной программы или для различных типов элементов входного языка. Состав информации, хранимой в таблице идентификаторов для каждого элемента исходной программы, зависит от семантики входного языка и типа элемента. Например, в таблицах идентификаторов может храниться следующая информация:
Q для переменных:
O имя переменной;
O тип данных переменной;
O область памяти, связанная с переменной; Q для констант:
O название константы (если оно имеется);
O значение константы;
O тип данных константы (если требуется); Q для функций:
O имя функции;
O количество и типы формальных аргументов функции;
O тип возвращаемого результата;
O адрес кода функции.
Приведенный выше состав хранимой информации, конечно же, является только примерным. Другие примеры такой информации указаны в [23, 42, 74]. Конкретное наполнение таблиц идентификаторов зависит от реализации компилятора. Кроме того, не вся информация, хранимая в таблице идентификаторов, заполняется компилятором сразу — он может несколько раз выполнять обращение к данным в таблице идентификаторов на различных фазах компиляции. Например, имена переменных могут быть выделены на фазе лексического анализа, типы данных для переменных — на фазе синтаксического разбора, а область памяти связывается с переменной только на фазе подготовки к генерации кода. Вне зависимости от реализации компилятора принцип его работы с таблицей идентификаторов остается одним и тем же — на различных фазах компиляции компилятор вынужден многократно обращаться к таблице для поиска информации и записи новых данных. Как правило, каждый элемент в исходной программе однозначно идентифицируется своим именем (вопросы идентификации более подробно рассмотрены в разделе «Семантический анализ и подготовка к генерации кода», глава 14). Поэтому компилятору приходится часто выполнять поиск необходимого элемента в таблице идентификаторов по его имени, в то время как процесс заполнения таблицы выполняется нечасто — новые идентификаторы описываются в программе гораздо реже, чем используются. Отсюда можно сделать вывод, что таблицы идентификаторов должны быть организованы таким образом, чтобы компилятор имел возможность максимально быстрого поиска нужного ему элемента [33].